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La señal de las primeras estrellas


Hace unos 12 mil millones de años, el universo surgió de una gran edad oscura cósmica cuando se encendieron las primeras estrellas y galaxias. Con un nuevo análisis de los datos recopilados por el radiotelescopio Murchison Widefield Array (MWA), los científicos ahora están más cerca que nunca de detectar la firma ultra débil de este punto de inflexión en la historia cósmica.




En un documento sobre el sitio de preimpresión ArXiv y que pronto se publicará en el Astrophysical Journal, los investigadores presentan el primer análisis de datos de una nueva configuración del MWA diseñada específicamente para buscar la señal de hidrógeno neutro, el gas que dominó el universo durante La edad cósmica oscura. El análisis establece un nuevo límite, el límite más bajo hasta la fecha, para la intensidad de la señal de hidrógeno neutral.

"Podemos decir con confianza que si la señal de hidrógeno neutral fuera más fuerte que el límite que establecimos en el documento, entonces el telescopio lo habría detectado", dijo Jonathan Pober, profesor asistente de física en la Universidad de Brown y autor correspondiente del nuevo papel. "Estos hallazgos pueden ayudarnos a restringir aún más el momento en que terminaron las edades oscuras cósmicas y surgieron las primeras estrellas".

La investigación fue dirigida por Wenyang Li, quien realizó el trabajo como Ph.D. estudiante en Brown. Li y Pober colaboraron con un grupo internacional de investigadores que trabajan con el MWA.

A pesar de su importancia en la historia cósmica, se sabe poco sobre el período en que se formaron las primeras estrellas, que se conoce como la Época de Reionización (EoR). Los primeros átomos que se formaron después del Big Bang fueron iones de hidrógeno cargados positivamente, átomos cuyos electrones fueron eliminados por la energía del universo infantil. A medida que el universo se enfrió y se expandió, los átomos de hidrógeno se reunieron con sus electrones para formar hidrógeno neutro. Y eso es casi todo lo que había en el universo hasta hace unos 12 mil millones de años, cuando los átomos comenzaron a agruparse para formar estrellas y galaxias. La luz de esos objetos re-ionizó el hidrógeno neutro, haciendo que desaparezca en gran medida del espacio interestelar.

El objetivo de proyectos como el que está ocurriendo en MWA es localizar la señal de hidrógeno neutro de las edades oscuras y medir cómo cambió a medida que se desarrollaba el EoR. Hacerlo podría revelar información nueva y crítica sobre las primeras estrellas: los bloques de construcción del universo que vemos hoy. Pero echar un vistazo a esa señal de 12 mil millones de años es una tarea difícil que requiere instrumentos con una sensibilidad exquisita.

Cuando comenzó a funcionar en 2013, el MWA era un conjunto de 2.048 antenas de radio dispuestas en el campo remoto de Australia Occidental. Las antenas están agrupadas en 128 "mosaicos", cuyas señales son combinadas por una supercomputadora llamada Correlator. En 2016, el número de mosaicos se duplicó a 256, y su configuración en todo el paisaje se modificó para mejorar su sensibilidad a la señal de hidrógeno neutral. Este nuevo artículo es el primer análisis de datos de la matriz expandida.

El hidrógeno neutro emite radiación a una longitud de onda de 21 centímetros. A medida que el universo se ha expandido en los últimos 12 mil millones de años, la señal del EoR ahora se extiende a unos 2 metros, y eso es lo que buscan los astrónomos del MWA. El problema es que hay miles de otras fuentes que emiten en la misma longitud de onda: fuentes hechas por el hombre como la televisión digital, así como fuentes naturales de la Vía Láctea y de millones de otras galaxias.

"Todas estas otras fuentes son mucho más fuertes que la señal que estamos tratando de detectar", dijo Pober. "Incluso una señal de radio FM que se refleja en un avión que pasa por encima del telescopio es suficiente para contaminar los datos".

Para concentrarse en la señal, los investigadores utilizan una miríada de técnicas de procesamiento para eliminar esos contaminantes. Al mismo tiempo, representan las respuestas de frecuencia únicas del propio telescopio.

"Si observamos diferentes frecuencias de radio o longitudes de onda, el telescopio se comporta de manera un poco diferente", dijo Pober. "Corregir la respuesta del telescopio es absolutamente crítico para luego separar los contaminantes astrofísicos y la señal de interés".

Esas técnicas de análisis de datos combinadas con la capacidad expandida del telescopio en sí dio como resultado un nuevo límite superior de la intensidad de la señal EoR. Es el segundo análisis consecutivo del mejor límite hasta la fecha lanzado por MWA y aumenta la esperanza de que el experimento algún día detecte la elusiva señal de EoR.

"Este análisis demuestra que la actualización de la fase dos tuvo muchos de los efectos deseados y que las nuevas técnicas de análisis mejorarán los análisis futuros", dijo Pober. "El hecho de que MWA haya publicado consecutivamente los dos mejores límites en la señal da impulso a la idea de que este experimento y su enfoque son muy prometedores".

La investigación fue apoyada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (Subvención # 1613040). El MWA recibe el apoyo del gobierno australiano y reconoce a la gente de Wajarri Yamatji como los propietarios tradicionales del sitio del observatorio.

Fuente y enlace a la investigación: W. Li, J. C. Pober, N. Barry, B. J. Hazelton, M. F. Morales, C. M. Trott, A. Lanman, M. Wilensky, I. Sullivan, A. P. Beardsley, T. Booler, J. D. Bowman, R. Byrne, B. Crosse, D. Emrich, T. M. O. Franzen, K. Hasegawa, L. Horsley, M. Johnston-Hollitt, D. C. Jacobs, C. H. Jordan, R. C. Joseph, T. Kaneuji, D. L. Kaplan, D. Kenney, K. Kubota, J. Line, C. Lynch, B. McKinley, D. A. Mitchell, S. Murray, D. Pallot, B. Pindor, M. Rahimi, J. Riding, G. Sleap, K. Steele, K. Takahashi, S. J. Tingay, M. Walker, R. B. Wayth, R. L. Webster, A. Williams, C. Wu, J. S. B. Wyithe, S. Yoshiura, Q. Zheng. First Season MWA Phase II EoR Power Spectrum Results at Redshift 7. The Astrophysical Journal, 2019

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